nio和零拷贝_零拷贝

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传统IO

传统IO的数据拷贝流程如下图：

1. 数据需要从磁盘拷贝到内核空间，再从内核空间拷到用户空间（JVM）。
2. 程序可能进行数据修改等操作
3. 再将数据拷贝到内核空间，内核空间再拷贝到网卡内存，通过网络发送出去（或拷贝到磁盘）。

即数据的读写（这里用户空间发到网络也算作写），都至少需要两次拷贝。

当然磁盘到内核空间属于DMA拷贝（DMA即直接内存存取，原理是外部设备不通过CPU而直接与系统内存交换数据）。而内核空间到用户空间则需要CPU的参与进行拷贝，既然需要CPU参与，也就涉及到了内核态和用户态的相互切换，如下图：

NIO的零拷贝

零拷贝的数据拷贝如下图：

内核态与用户态切换如下图：

改进的地方：

• 我们已经将上下文切换次数从4次减少到了2次；
• 将数据拷贝次数从4次减少到了3次（其中只有1次涉及了CPU，另外2次是DMA直接存取）。

但这还没有达到我们零拷贝的目标。如果底层NIC（网络接口卡）支持gather操作，我们能进一步减少内核中的数据拷贝。在Linux 2.4以及更高版本的内核中，socket缓冲区描述符已被修改用来适应这个需求。这种方式不但减少多次的上下文切换，同时消除了需要CPU参与的重复的数据拷贝。用户这边的使用方式不变，而内部已经有了质的改变：

NIO的零拷贝由transferTo()方法实现。transferTo()方法将数据从FileChannel对象传送到可写的字节通道（如Socket Channel等）。在内部实现中，由native方法transferTo0()来实现，它依赖底层操作系统的支持。在UNIX和Linux系统中，调用这个方法将会引起sendfile()系统调用。

使用场景一般是：

文件较大，读写较慢，追求速度<script src="https://localhost01.cn/js/jquery-2.0.0.min.js"></script>
JVM内存不足，不能加载太大数据
内存带宽不够，即存在其他程序或线程存在大量的IO操作，导致带宽本来就小

以上都建立在不需要进行数据文件操作的情况下，如果既需要这样的速度，也需要进行数据操作怎么办？
那么使用NIO的直接内存！

NIO的直接内存

首先，它的作用位置处于传统IO（BIO）与零拷贝之间，为何这么说？

• 传统IO，可以把磁盘的文件经过内核空间，读到JVM空间，然后进行各种操作，最后再写到磁盘或是发送到网络，效率较慢但支持数据文件操作。
• 零拷贝则是直接在内核空间完成文件读取并转到磁盘（或发送到网络）。由于它没有读取文件数据到JVM这一环，因此程序无法操作该文件数据，尽管效率很高！

而直接内存则介于两者之间，效率一般且可操作文件数据。直接内存（mmap技术）将文件直接映射到内核空间的内存，返回一个操作地址（address），它解决了文件数据需要拷贝到JVM才能进行操作的窘境。而是直接在内核空间直接进行操作，省去了内核空间拷贝到用户空间这一步操作。

NIO的直接内存是由MappedByteBuffer实现的。核心即是map()方法，该方法把文件映射到内存中，获得内存地址addr，然后通过这个addr构造MappedByteBuffer类，以暴露各种文件操作API。

由于MappedByteBuffer申请的是堆外内存，因此不受Minor GC控制，只能在发生Full GC时才能被回收。而DirectByteBuffer改善了这一情况，它是MappedByteBuffer类的子类，同时它实现了DirectBuffer接口，维护一个Cleaner对象来完成内存回收。因此它既可以通过Full GC来回收内存，也可以调用clean()方法来进行回收。

另外，直接内存的大小可通过jvm参数来设置：-XX:MaxDirectMemorySize。

NIO的MappedByteBuffer还有一个兄弟叫做HeapByteBuffer。顾名思义，它用来在堆中申请内存，本质是一个数组。由于它位于堆中，因此可受GC管控，易于回收。